导电高分子及其复合材料26083课件

导电高分子及导电高分子材料前言高分子材料一般作为绝缘材料使用

如电线的绝缘层等。如果高分子材料能象金属一样导电，我们生活将会发生什么变化呢？（1）用高分子材料代替金属电线：质量轻，价格便宜，资源广泛。（2）可以解决生活中的很多静电吸尘问题（3）电磁波屏蔽…...

传统的高分子是以共价键相连的一些大分子，组成大分子的各个化学键是很稳定的，形成化学键的电子不能移动，分子中无很活泼的孤对电子或很活泼的成键电子，为电中性，所以高分子一直视为绝缘材料。为什么高分子材料一般是绝缘的？世纪发现——导电高分子材料G.MacDiarmidH.ShirakawaJ.Heeger艾伦·马克迪尔米德白川英树艾伦·黑格其他导电高分子材料

聚噻吩

聚苯胺

聚对苯撑乙炔

聚吡咯

由于分子中双键的π电子的非定域性，这类聚合物大都表现出一定的导电性。以及聚对苯（PPP）、聚咔唑（PCB）、聚喹林（PQ）、聚硫萘（PTIN）……电子导电聚合物特征

有机聚合物成为导体的必要条件：有能使其内部某些电子或空穴具有跨键离域移动能力的大共轨结构。电子导电型聚合物的共同结构特征：分子内具有大的共扼π电子体系，具有跨键移动能力的π价电子成为这一类导电聚合物的唯一载流子。已知的电子导电聚合物，除早期发现的聚乙炔，多为芳香单环、多环、以及杂环的共聚或均聚物。根据载流子的不同，导电高分子的导电机理可分为三种：电子导电、离子导电和氧化还原导电三种：图中碳原子右上角的符号●表示未参与形成σ键的p电子。上述聚乙炔结构可以看成内多享有一个木成对电子的CH自由基组成的长链，当所有碳原子处在一个平面内时，其末成村电子云在空间取向为相互平行．并相互重叠构成共短π键。根据固态物理理论，这种结构应是一个理想的一维金属结构．π电子应能在一维方向上自由移动，这是聚合物导电的理论基础。

由分子电子结构分析，聚乙炔结构可以写成以下形式。

如上图所示，两个能带在能量上存在着—个差值，而导电状态下P电子离域运动必须越过这个能级差。这就是我们在线性共扼体系中碰到的阻碍电子运动，因而影响其电导率的基本因素

如果考虑到每个CH自由基结构单元p电子轨道中只有一个电子，而根据分子轨道理论，一个分子轨道中只有填充两个自旋方向相反的电子才能处于稳定态。每个P电子占据—个π轨道构成上图所述线性共轭电子体系．应是一个半充满能带，是非稳定态。它趋向于组成双原子对使电子成对占据其中一个分子轨道，而另一个成为空轨道。出于空轨道和占有轨道的能级不同．使原有p原子形成的能带分裂成两个亚带，一个为全充满能带，构成价带，另一个为空带，构成导带。

现代结构分析和测试结果证明，线性共轭聚合物中相邻的两个键的键长和键能是有差别的。这一结果间接证明了在此体系中存在着能带分裂。Peierls理论不仅解释了线性共扼型聚合物的导电现象和导电能力，也提示我们如何寻找、提高导电聚合物导电能力的方法。

电子的相对迁移是导电的基础。电子如若要在共扼π电子体系中自由移动、首先要克服满带与空带之间的能级差，因为满带与空带在分子结构中是互相间隔的。这一能级差的大小决定了共轭型聚合物的导电能力的高低。正是由丁这一能级差的存在决定了我们得到的不是一个良导体，而是半导体。

由此可见，减少能带分裂造成的能级差是提高共轭型导电聚合物电导率的主要途径。电子导电聚合物电导率影响因素1）掺杂过程、掺杂剂及掺杂量

金属材料的电导温度系数是负值，即温度越高，电导率越低。电子导电聚合物的温度系数是正的；即随着温度的升高．电阻减小、电导率增加2）温度：电在导电聚合物的电导率随着温度的变化而变化：

式中σsat、To和γ分别为常数，具体数值取决于材树本身的性质和掺杂的程度，γ取值一般在o.25～0.5之间。

随着共扼链长度的增加，π电子波函数的这种趋势越明显，从而有利于自由电子沿着分子共轭链移动，导致聚合物的电导率增加。从图中可以看出，线性共轭导电聚合物的电导率随着其共轭链长度的增加而呈指数快速增加。因此，提高共轭链的长度是提高聚合物导电性能的重要手段之一．这一结论对所有类型的电子导电聚合物都适用。

3）分子中共轭链长度：电在导电聚合物的电导率随着温度的变化而变化：影响离子导电聚合物的导电能力的因素聚合物其他因素：聚合物溶剂化能力：聚合物玻璃化温度：改进离子导电聚合物导电性能的措施1）共聚：降低Tg和结晶性能2）交联：降低材料的结晶性3）共混：提高导电性能4）增塑：降低Tg和结晶度氧化还原型导电聚合物氧化还原型导电聚合物的导电机理本征型导电高分子材料的合成方法本征型导电高分子材料的合成方法主要有电化学聚合法和化学聚合法两种：1.化学聚合法

聚苯（撑）的化学聚合法（Kovacic)本征型导电高分子材料的合成方法缺点：只适宜于合成小批量的生产2.电化学聚合法－聚苯（撑）优点：纯度高，反应条件简单且容易控制本征型导电高分子材料的合成方法其他合成方法：3.乳液聚合法4.微乳液聚合法

何为导电高分子复合材料？

以结构型高分子从材料为基体（连续相），与各种导电性物质（如碳系、金属、金属氧化物、结构型导电高分子等），通过分散复合、层积复合、表面复合或梯度复合等方法构成的具有导电能力的材料。其中又以分散复合方法最为常用。导电填料在复合型导电高分子中起提供载流子的作用，它的形态、性质和用量直接决定材料的导电性。导电高分子复合材料的导电机理导电填料

聚合物基体

导电复合材料的导电机理导电复合材料的逾渗现象逾渗区间聚合物基导电复合材料制备方法简单机械混合法：

a)

熔融共混；b)溶液共混法;

c)乳液共混优点：工艺简单，宜大规模产业化缺点：分散效果不好简单机械混合法:熔融共混聚合物基导电复合材料制备方法聚合物基导电复合材料制备方法2.填料表面的接枝改性处理后，再与聚合物基体进行机械共混碳黑接枝示意图（实例）缺点：工艺相对繁琐优点：界面作用强，分散效果好，逾渗值偏低2.填料表面的接枝改性处理后，再与聚合物基体进行机械共混CB-g-WPU/WPU复合材料（乳液共混）CB/WPU复合材料（乳液共混）聚合物基导电复合材料制备方法3.原位聚合法优点：工艺简单,容易控制和进行后处理,逾渗值低。不同合成方法逾渗值的比较聚合物基导电复合材料制备方法影响导电性能的主要因素导电填料的性质制备工艺导电填料的用量导电填料的形状……导电高分子复合材料的应用1.抗静电

抗静电的必要性：电绝缘的聚合物，在许多应用环境中产生静电作用，如塑料梳子产生头发竖立，合成纤维制成的衣服产生放电，吸尘器外壳吸附大量灰尘，电视屏幕吸附灰尘，电视何收音机干扰，有些场合静电泄漏甚至会产生严重火灾或爆炸事故。抗静电方法：将产生的静电适时导走，避免静电积累导电高分子复合材料的应用近几年,铅锡焊料是印刷线路板和表面组装技术中的连接材料,其中含铅在40%左右。铅既危害人体健康,也污染环境。对电子产品及制造过程中所使用的有毒重金属如铅等,美国1992年开始禁用,日本规定2001年限制使用铅;欧洲也明确规定2004年停止使用。欧盟对禁铅政策的积极运作,全球所有电子产业可望于2008年彻底执行无铅电子产业。2.导电胶导电高分子复合材料的应用

导电型胶粘剂,简称导电胶,是一种既能有效地胶接各种材料,又具有导电性能的胶粘剂。导电胶作为一种新型的复合材料其应用日益受到人们的重视,有着广阔的市场前景和发展潜力。

导电填料可以很大的提高线分辨率,更能顺应高的I/O密度;此外它还有固化温度低、简化组装工艺等优点,因此发展迅速。现已广泛应用于电话和移动通讯系统,广播、电视、计算机行业,汽车工业;医用设备,解决电磁兼容(EMC)等方向。导电高分子复合材料的应用2.导电胶

隐身技术是当今军事科学的重要技术之一，是国家军事实力的重要标志。隐身材料是指能够减少军事目标的雷达特征、红外特征、光电特征及目视特征的材料的系统。自从导电聚合物一出现，导电聚合物作为新型的有机和聚合物雷达波吸收材料称为导电聚合物领域的研究热点和导电聚合物实用化的突破点。导电高聚物是巡洋导弹可控头罩的首选隐身材料

3.军事隐身材料导电高分子复合材料的应用导电高分子复合材料的应用雷达隐身技术——雷达吸波材料3.军事隐身（隐形）材料红外隐身技术——红外隐身材料导电高分子复合材料的应用电磁屏蔽材料

导电高分子材料具有同样电磁屏蔽性能，且重量轻、韧性好、易加工、电导率易于调节、成本低、易大面积涂敷、施工方便。因此，它是一种非常理想的替代传统金属的新型电磁屏蔽材料，可应用在计算机房、手机、电视机、电脑和心脏起搏器等电子电器元件上。

4.其他应用PTC型导电高分子复合材料PTC型导电高分子复合材料的基本概念

所谓PTC效应（positivetemperaturecoefficient),即正温度系数效应，指材料的电阻率随着温度的升高而增大的现象。

PTC型导电高分子复合材料复合材料的电阻随着温度的升高而增大,具有明显的突变现象

PTC导电复合材料功能原理PTC型导电高分子复合材料聚合物基体性质填料组成及含量制备工艺影响PTC性能的主要因素PTC型导电高分子复合材料电阻率及PTC强度与填料含量关系影响PTC性能的主要因素

PTC型导电高分子复合材料体积膨胀理论晶区破坏学说PTC复合材料的功能机理

PTC型导电高分子复合材料1.自控温加热系统

自控温加热电缆线在石油化工领域的应用

2.加热元件在其它领域的作用PTC复合材料的应用

3.电路保护元件

在通信电路中的应用在节能灯电子镇流器中的应用微电机自保

4.其他方面的应用

气敏导电高分子复合材料气敏导电高分子复合材料的基本概念

当复合材料吸收有机溶剂蒸气时，复合材料的微观结构发生急剧的变化，从而推动填料偏移平衡位置，导电网络被破坏，复合材料的电阻急剧上升几个数量级。当复合材料重新置于空气中时，吸收的蒸气发生脱附，复合材料的电阻迅速恢复初始值，具有这种气敏开关特性的导电高分子复合材料被成为气敏导电高分子复合材料。

它集合了灵活性，性质多样性，高度气敏性，优良的重复可逆性于一体，现阶段已成为聚合物气敏材料的研究热点

气敏导电高分子复合材料导电复合材料在有机溶剂中电阻发生非线性的突变现象气敏导电复合材料功能原理

气敏导电高分子复合材料1.响应速度快，在30秒内可以达到最大电阻值，脱附时，40秒内电阻可以下降到最大值的1‰以下。2.重复性和稳定性好。在低蒸气压下，复合材料的气敏响应度与蒸气压成线性关系可定量的用于检测有机蒸气的浓度

气敏导电高分子复合材料1.体积膨胀模型气敏复合材料的气敏响应机理2.相变模型或晶体转换模型气敏复合材料的气敏响应机理

气敏导电高分子复合材料离开蒸气环境，电阻反而增大，何解？

3.结构松弛机理应力聚集应力松弛

气敏导电高分子复合材料气敏导电高分子复